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        試議鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋件錨板厚度

        2020-06-26 13:42:32姜忠國張順宇
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:錨板錨筋圖集

        姜忠國,張順宇

        (中國中元國際工程有限公司,北京100089)

        1 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定

        錨板厚度應(yīng)根據(jù)受力情況計(jì)算確定,且不宜小于鋼筋直徑的60%;受拉和受彎預(yù)埋件的錨板厚度宜大于b/8(b為錨筋間距)。

        以受拉預(yù)埋件為例,其承載力計(jì)算公式為:

        式(1)、式(2)中,N為法向拉力設(shè)計(jì)值;αb為錨板的彎曲變形折減系數(shù);fy為錨筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;As為錨筋的總截面面積;t為錨板厚度;d為錨筋直徑。

        2 《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(舊版本)相關(guān)規(guī)定

        錨板的厚度應(yīng)大于錨筋直徑的0.6 倍;受拉和受彎預(yù)埋件的錨板厚度尚應(yīng)大于b/12(b為錨筋間距),且錨板厚度應(yīng)不小于8mm。

        3 《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋件》(16G362)標(biāo)準(zhǔn)圖集相關(guān)規(guī)定

        軸心受拉承載力設(shè)計(jì)值Nu計(jì)算公式:式(3)、式(4)中,Nu為軸心受拉承載力設(shè)計(jì)值;K1為承載力折減系數(shù);αb為錨板彎曲變形折減系數(shù)(當(dāng)bs/t≤8 時,取bs/t=8;當(dāng)采取措施防止錨板彎曲變形時,可取αb=1);bs為錨板彎曲變形折減寬度[錨筋為雙排時,bs=b;錨筋為3 排時,bs=(1.2~1.5b)]。

        一般情況下,宜控制bs≤16t(當(dāng)錨筋為2 排時,取bs≤12t),且應(yīng)使t≥0.6d。如受拉時錨板不產(chǎn)生彎曲變形,例如,連接上承式鋼牛腿時,則αb=1【1】。

        4 標(biāo)準(zhǔn)圖集與混凝土規(guī)范的不同點(diǎn)

        比較式(1)和式(3),標(biāo)準(zhǔn)圖集中增加了承載力折減系數(shù)K1,主要考慮抗震及疲勞因素。

        式(2)和式(4)有差別,式(4)是對規(guī)范中的計(jì)算公式的修正,當(dāng)bs/t=8 時,式(4)即變?yōu)槭剑?),與規(guī)范一致。

        根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015 年版)的規(guī)定,受拉和受彎預(yù)埋件的錨板厚度宜大于b/8??紤]到混凝土規(guī)范中要求為宜而不是應(yīng),以及《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定預(yù)埋件的錨板厚度應(yīng)大于b/12,通過總結(jié)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)圖集為擴(kuò)大使用范圍,在設(shè)計(jì)中考慮了b/t大于8 的情況,及錨筋為3 排時的折減寬度bs,對錨板的彎曲變形折減系數(shù)αb進(jìn)行了修正(注:該修正是在對包頭鋼鐵設(shè)計(jì)院做的18 組50 個試驗(yàn),分別取b/t=8~8.5 和b/t=12~15 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而得出的)。

        下面以圖集中的M1-101 為例,分別采用規(guī)范中的計(jì)算公式及圖集中的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,比較兩者的差異。錨板尺寸為120mm×120mm,錨筋4 根φ10mm,b=60mm,當(dāng)錨板厚度分別為6mm 與8mm 時,其承載力如表1 所示。

        表1 不同板厚及b/t 情況下彎曲變形折減系數(shù)及拉力值

        從表1 可以看出,當(dāng)b/t>8 時,可以采用圖集公式得到小于規(guī)范公式的承載力結(jié)果,符合規(guī)范對錨板厚度的建議。

        5 預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)圖集的對比

        為了說明問題,現(xiàn)將華北電力設(shè)計(jì)院于1971 年3 月做的2 組受拉預(yù)埋件和2 組拉彎剪預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)、同濟(jì)大學(xué)1997 年12 月現(xiàn)場做的1 組幕墻預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及中國建筑科學(xué)研究院于2015 年5 月做的6 組預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)與按《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋件》標(biāo)準(zhǔn)圖集計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

        5.1 華北院試件

        各試件試驗(yàn)結(jié)果與按圖集公式計(jì)算的比較見表2

        表2 各試件試驗(yàn)結(jié)果與按圖集公式計(jì)算的比較

        5.2 同濟(jì)大學(xué)試件

        上海嘉里商務(wù)中心幕墻預(yù)埋件現(xiàn)場試驗(yàn),隨機(jī)抽取6 只埋件,錨板-250mm×200mm×10mm,錨筋4 根φ10mm 螺紋鋼,b/t=12,t/d=1.0,錨入長度250mm,混凝土C30。施加荷載(N=49.44kN,V=5.914kN)時,錨板變形-0.05~0.18mm,施加1.5 倍荷載時,錨板變形0.04~0.46mm。

        試驗(yàn)報(bào)告主要結(jié)論:

        1)由于錨筋實(shí)際位置存在偏差,在使用荷載作用下錨板中心有負(fù)變形;

        2)埋件在設(shè)計(jì)荷載和最大荷載作用下的位移幾乎是沒有的,埋件平面外的變形是由于錨板的彎曲變形,數(shù)量極少;

        3)被抽檢的6 只幕墻埋件全部滿足在設(shè)計(jì)荷載和最大荷載作用下的強(qiáng)度要求【2】。

        按照圖集公式計(jì)算,其結(jié)果為Nu=45.8kN,Vu=5.5kN,均小于實(shí)際施加的最大拉力和剪力。

        5.3 建研院試件

        中國建筑科學(xué)研究院于2015 年共做了6 組(12 個)預(yù)埋件試驗(yàn),預(yù)埋件試件參數(shù)及變形情況見表3。

        表3 試驗(yàn)試件規(guī)格及試驗(yàn)結(jié)果一覽表

        試驗(yàn)報(bào)告主要結(jié)論如下:

        變形量測結(jié)果表明,在荷載加至拉力預(yù)估值時,各試件的錨板變形很小,所有試件的錨板及錨筋的測點(diǎn)布置均沒有屈服,在極限荷載作用下,大部分試件的錨板的測點(diǎn)布置處均沒有屈服,錨筋中部均未出現(xiàn)屈服,錨筋根部均屈服。

        實(shí)驗(yàn)中采用有限元對M4 預(yù)埋件錨板變形進(jìn)行分析,分析得到的變形結(jié)果和實(shí)測值對比見圖1。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,錨板四周的撬力在錨板邊緣很小的范圍內(nèi)分布,撬力約為錨板相同變形條件下承載力的26.6%。

        圖1 錨板變形有限元分析結(jié)果與實(shí)測值對比

        通過以上6 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出,按圖集計(jì)算公式得出的結(jié)果均小于實(shí)際施加的拉力。

        綜合以上各組試驗(yàn)結(jié)果,按照標(biāo)準(zhǔn)圖集中的計(jì)算公式得出的承載力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較一致,錨板厚度取值較合理,預(yù)埋件是偏于安全的。

        6 預(yù)埋件錨板厚度的構(gòu)造要求以及如何建立計(jì)算模型

        在標(biāo)準(zhǔn)圖集的使用過程中,有的設(shè)計(jì)人員或者專家提出,在拉、彎、大偏心的外力作用下板厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足GB 50011—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的強(qiáng)度要求,錨板厚度t不符合混凝土規(guī)范中b/8 的構(gòu)造要求。

        實(shí)際工程中受拉預(yù)埋件的受力性能與錨板的構(gòu)造有關(guān)。如錨板的剛度很大,錨板在拉力作用下不會發(fā)生彎曲變形,錨筋處于中心受拉狀態(tài)。如錨板的剛度較小,錨板則會發(fā)生彎曲變形,錨筋除受拉外,在錨筋根部尚會發(fā)生剪切變形,使錨筋承受因錨板彎曲變形引起的內(nèi)剪力,混凝土受到錨筋的局部擠壓。剪切變形的大小與錨板的彎曲程度有關(guān),而且鋼筋在受拉端的應(yīng)力最大,離受拉端的距離越大,應(yīng)力越小。

        預(yù)埋件錨板不是簡支的受彎構(gòu)件,而是四邊為彈性支承的拉彎構(gòu)件。這種拉彎構(gòu)件的變形與內(nèi)力的關(guān)系比較復(fù)雜,為復(fù)合受力狀態(tài)。關(guān)于預(yù)埋件的受力破壞情況,我國各大設(shè)計(jì)院及院校過去都做過大量的試驗(yàn),提出并總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,在此基礎(chǔ)上,不同的行業(yè)都編制了適用于各自行業(yè)的預(yù)埋件圖集。《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋件》標(biāo)準(zhǔn)圖集的編制工作是在滿足我國規(guī)范、參考外國規(guī)范以及總結(jié)各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成的。從幾十年的工程實(shí)踐看,還沒有因錨板厚度不夠而發(fā)生工程事故的情況。

        通過大量的工程實(shí)例以及預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與研究,預(yù)埋件與混凝土黏結(jié)成一個整體,成為組合構(gòu)件,在拉彎作用下,作為一個獨(dú)立的受力鋼構(gòu)件,其受力比較復(fù)雜。到目前為止,關(guān)于錨板計(jì)算的相關(guān)討論比較少,一般情況下按構(gòu)造要求確定錨板厚度。

        有建議采用簡支梁模式計(jì)算,但筆者認(rèn)為不妥??梢詫㈠^板簡化看作四邊為彈性支承的彈性矩形板(簡稱彈性板),在外拉力作用下彈性板中間部分受拉,錨筋以外部分受混凝土的擠壓。

        下面以華北院試件二及圖集M1-104 為例,按彈性板對錨板的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。預(yù)埋件受力及計(jì)算簡圖見圖2,預(yù)埋件尺寸見圖3,拉力板厚8mm。

        電力安全工器具的管理需要資金和人員的投入的,對安全工器具管理資金投入很少的時候,就會使得安全工器具的存放環(huán)境得不到保障,安全工器具管理室、有干燥功能的存放柜等存放設(shè)施等配置不到位;要對電力安全工器具的功能、特性等十分的了解,這樣才會更好的管理安全工器具,但是在人員的配置上不是很合理,其知識、能力有限,往往難以滿足電力安全工器具管理的要求。

        圖2 錨板受力及計(jì)算簡圖

        圖3 預(yù)埋件詳圖

        例題1,華北院試件二,錨板-200mm×200mm×10mm,b/t=12,錨筋4 根φ12mm 螺紋鋼,N=78kN;

        例題2,圖集M1-104,錨板-150mm×120mm×10,b/t=6,錨筋4 根φ12mm HRB400 級鋼,Nu=87.76kN;

        表4~6 列舉了華北院試件、建研院試件、《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊》(第四版)[例題14-1]等例子按上述計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果,計(jì)算取不同錨筋直徑及錨板厚度,計(jì)算方法分別按彈性板和構(gòu)造手冊算法(簡支梁)進(jìn)行對比。數(shù)據(jù)顯示,按四邊支承的彈性板計(jì)算得到的試件錨板應(yīng)力大于鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,有的甚至達(dá)到2倍多,但遠(yuǎn)小于按簡支梁計(jì)算的結(jié)果。

        對比試件的試驗(yàn)情況,錨板僅出現(xiàn)了變形,并沒有破壞或拉斷。計(jì)算結(jié)果偏大的原因是由于還有一些因素沒有考慮進(jìn)去,如預(yù)埋件與混凝土的相互作用等。另外,錨板產(chǎn)生一定的變形并不影響其使用,因此,有資料建議,可按塑性階段計(jì)算,即錨板的截面抵抗矩可按At2/4 考慮,這樣的話,彈性板計(jì)算模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,更貼合工程實(shí)踐。

        表4 華北院試件不同加載階段錨板應(yīng)力分別按簡支梁和彈性板模式計(jì)算對比

        表5 建研院試件按簡支梁及彈性板計(jì)算結(jié)果對比

        表6 構(gòu)造手冊[例題14-1]不同板厚及錨筋按簡支梁和彈性板計(jì)算結(jié)果對比

        以上2 種計(jì)算方法得到的結(jié)果差別較大,按彈性板模式(可考慮塑性)計(jì)算更接近試驗(yàn)結(jié)果及工程實(shí)踐。當(dāng)錨板厚度大于錨筋直徑,且滿足大于b/12 的情況下,錨板的變形及應(yīng)力均很小。

        如果按照彈性板模式計(jì)算的話,《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊》(第四版)[例題14-1] 錨板厚由12mm 改為8mm,錨筋8 根φ8mm 改為8 根φ12mm,[例題14-7]和[例題14-9]錨板厚由16mm 改為10mm,[例題14-8]和[例題14-10]錨板厚不變,鋼材均為Q235B 級鋼,就可滿足強(qiáng)度要求【3,4】。

        通過比較,《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊》(第四版)關(guān)于受拉及受彎預(yù)埋件錨板應(yīng)力按簡支梁計(jì)算有待商榷,其計(jì)算結(jié)果與預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)及工程實(shí)踐差別較大。

        結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果及《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》舊版本,建議受拉和受彎預(yù)埋件的錨板厚度不宜小于錨筋直徑的70%或b/12(b為雙排錨筋的間距)。

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